JP2014173855A

JP2014173855A - 測定方法

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Publication number: JP2014173855A
Application number: JP2013043638A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kiyono; 慧清野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-03-06
Filing date: 2013-03-06
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-06
Also published as: JP6128639B2

Abstract

【課題】センサの小シフトを導入して、長尺の試料の大シフトを不要にし、さらにはセンサが２本利用できるときには、センサのシフト前後の２回の走査測定を１回で済ませることができる測定方法を提供する。
【解決手段】相対走査の際における被測定試料の走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差を姿勢センサで測定して、その出力値と、第１〜第３変位センサの出力とに基づいて、被測定試料の走査の際の姿勢変化を補正しつつ、被測定試料の真直形状を求めるので、被測定試料の大きなシフトは不要になり、コンパクトな測定装置で高精度な測定を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、長尺物体の真直形状を測定する測定方法に関するものである。

精密な塗布工具の長尺化，ウエハの大型化，液晶画面の大面積化等により，長尺の真直形状，大面積の平面形状を高精度に測定する必要が高まっているが，物理的に与えられる測定基準の確からしさはもはや限界が来ている。そこで，物理的基準に頼らない，数学的に与えられる基準での測定法が求められている。

本出願人は、特許文献１にて、長尺の断面直線形状や面形状の測定における水準器と多点法の利点だけを有効に使い、大面積の被測定面を迅速に高精度に測定できる測定装置を提案している。

特開2009-281768号公報

ところで、棒状物体のような長尺の試料を、センサに対して所定方向にシフトして、シフト前後の測定結果の差より真直形状を測定する際に、長尺の試料のシフトの際にシフトの剛体的傾斜が放物線誤差につながるために、長尺である真直形状の測定には、高精度の姿勢測定が必要になる。姿勢センサの精度限界を考慮するとき、放物線誤差はシフト量が大きいほど放物線誤差の抑制効果は高い。

しかし、シフト量が大きいと真直形状の測定点の密度が下がり、より小さいシフト量（小シフト）による結果との合成が必要になるという欠点がある。また、長尺の試料を大きく移動するには、時間と労力を必要とし、全測定所要時間が長くなり、高精度の測定にとっては、その間の測定システムの必要なレベルでの温度等環境の安定を保つことが難しくなる。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、センサの小シフトを導入して、長尺の試料の大シフトを不要にし、さらにはセンサが２本利用できるときには、センサのシフト前後の２回の走査測定を１回で済ませることができる測定方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の測定方法は、変位センサと長尺物体とを、走査方向に相対移動させて前記変位センサからの出力値を得ることにより相対走査を行い、前記長尺物体の真直形状を測定する測定方法であって、
前記変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第１の出力値を得て、更に前記変位センサを前記走査方向に前記間隔ｄだけシフトして、前記長尺物体の被測定面を測定し、第２の出力値を得て(第１工程)、
前記長尺物体を前記変位センサに対して前記走査方向に前記間隔ｄだけシフトして、前記変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第３の出力値を得て(第２工程)、
前記相対走査の際における、前記変位センサと前記長尺物体との移動する方の走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差を姿勢センサで測定して、その出力値と、前記第１〜第３の出力値とに基づいて、前記長尺物体の相対走査の際の姿勢変化を補正しつつ、前記長尺物体の真直形状を求める(第３工程)ことを特徴とする。

本発明によれば、前記走査の際における、前記変位センサと前記長尺物体との移動する方の走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差を姿勢センサで測定して、その出力と、前記第１〜第３の出力値とに基づいて、前記長尺物体の走査の際の姿勢変化を補正しつつ、前記長尺物体の真直形状を求めるので、前記長尺物体の大きなシフトは不要になり、変位センサの数も少なく、コンパクトな測定装置で高精度な測定を実現できる。

請求項２に記載の測定方法は、走査方向に間隔ｄで配置された第１変位センサ及び第２変位センサと、長尺物体とを、前記走査方向に相対移動させて前記第１変位センサ及び第２変位センサからの出力値を得ることにより相対走査を行い、前記長尺物体の真直形状を測定する測定方法であって、
前記第１変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第１の出力値を得るとともに、前記第２変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定し、第２の出力値を得て(第１工程)、
前記長尺物体を前記第１変位センサに対して前記走査方向に前記間隔ｄだけシフトして、前記第１変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第３の出力値を得て(第２工程)、
前記相対走査の際における、前記第１変位センサ及び前記第２変位センサと前記長尺物体との移動する方の走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差を姿勢センサで測定して、その出力値と、前記第１〜第３の出力値とに基づいて、前記長尺物体の走査の際の姿勢変化を補正しつつ、前記長尺物体の真直形状を求める(第３工程)ことを特徴とする。

本発明によれば、前記相対走査の際における、前記第１変位センサ及び前記第２変位センサと前記長尺物体との移動する方の走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差を姿勢センサで測定して、その出力値と、前記第１〜第３の出力値とに基づいて、前記長尺物体の走査の際の姿勢変化を補正しつつ、前記長尺物体の真直形状を求めるので、前記長尺物体の大きなシフトは不要になり、コンパクトな測定装置で高精度な測定を実現できる。尚、相対走査は、変位センサ側を移動させても良いし、長尺物体側を移動させてもよい。

本発明によって、センサの小シフトを導入して、試料の大シフトを不要にし、さらにはセンサが２本利用できるときには、センサのシフト前後の２回の走査測定を１回で済ませる測定方法を提供することができる。

本発明の測定方法を実現できる測定装置の斜視図である。本発明の測定方法を実現できる測定装置の斜視図である。別な実施の形態にかかる測定装置の斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１、２は、本発明の測定方法を実現できる測定装置の斜視図である。変位センサＡＳと直動ステージＳＴＸの相対移動方向をＸ方向とし、上下方向をＺ方向とし、Ｘ方向及びＺ方向に直交する方向をＹ方向とする。

図１に示すように、不図示の定盤等に対して、長尺物体である被測定試料ＳＰを搭載した直動ステージＳＴＸが移動する形式の測定装置において、被測定試料ＳＰと同じ直動ステージＳＴＸ上に水準器ＥＬが設置される。原理的には、移動中の直動ステージＳＴＸと被測定試料ＳＰは、姿勢を変えることはあっても変形しないものとするが、ステージ長が長くなると位置の変化と共に変形する可能性もあるので、複数の水準器を被測定試料ＳＰに沿った位置に配置することも好ましい。また、水準器ＥＬは重力の方向で指示値が変わるので、地球の曲率に合わせて水準器の値を補正する必要もある。近似的には１ｍの移動で水準器ＥＬの読みは約０．０３秒変化する。

本実施の形態では、水準器ＥＬは、直動ステージＳＴＸ上に２点支持で載置された姿勢台ＳＢ上に配置されている。その理由について説明する。本測定法では、被測定試料ＳＰの走査測定データから、走査中の被測定試料ＳＰの剛体的なオフセットと姿勢変化(ピッチング)を検出する必要がある。通常、この運動は走査用のステージとほぼ同じになる。しかし、長尺のステージになると移動中の弾性変形が生じる可能性があるから。ステージ上に直接水準器ＥＬを置くと、弾性変形による局所的な傾斜を検出してしまい、試料のピッチングを精度良く検出できない可能性がある。理想的には被測定試料ＳＰを２点支持し、被測定試料ＳＰに水準器ＥＬを固定して用いることであるが、加工物を考えると、簡単に固定することができない場合もある。そこで、２点支持した被測定試料ＳＰと同じピッチングを生じるように、被測定試料ＳＰと同じ位置で２点支持した姿勢センサ台ＳＢに水準器ＥＬを置くと好ましいのである。明らかであるが、被測定試料ＳＰに水準器ＥＬを固定できる場合は、姿勢台ＳＢは不要である。なお、被測定試料ＳＰを2点支持できないときは、走査測定範囲の両端近傍にそれぞれ水準器ＥＬを設置しても良い。

なお、移動する直動ステージＳＴＸを静圧軸受けで支持する場合など、直動ステージＳＴＸの走査移動開始前から姿勢が変わることがある。そのような場合は、静止時の水準器ＥＬの読みを取ると同時に多点法プローブの変位センサから２つの出力を取り、静止時の水準器ＥＬの読みが示す姿勢と、実際に移動走査が始まる時点での姿勢の変化を補正する必要がある。この事情は、走査移動が終わった後に直動ステージＳＴＸの姿勢が変わり続ける場合も同様で、水準器ＥＬが示す姿勢が安定するまで同じ位置での姿勢を多点法プローブで読み、走査終了後の姿勢変化の補正をする必要がある。

ここでは、被測定試料ＳＰを、走査用の直動ステージＳＴＸに載せて一本の変位センサＡＳで測定する(相対走査という)場合を例に説明する。測定に先立ち、不図示の定盤等に固定されたホルダＨＬＤに支持された変位センサＡＳを、走査方向（直動ステージＳＴＸの移動方向、すなわちＸ方向）に間隔ｄでシフトさせることで、被測定試料ＳＰの被測定面の形状を測定した変位センサＡＳから、２つの出力を得る。

(第１工程)
直動ステージＳＴＸを静止させた状態で、変位センサＡＳを、ホルダＨＬＤに対して走査方向にシフトすることで、変位センサＡＳの出力ｍ₁(第１変位センサの第１の出力値)，ｍ₂(第２変位センサの第２の出力値)は，以下の式で表せる。尚、図３に示すように、変位センサを２本(走査方向に間隔ｄでホルダHLDに固定された第１変位センサＡＳ１と第２変位センサＡＳ２)利用できるときには、この変位センサのシフトは不要になるから、第１の出力値と第２の出力値を得る第１工程を１回で済ませることができる。
ｍ₁(x)=f(x)+e_z(x) （１）
ｍ₂(x)=f(x+d)+e_z(x)+d・e_p(x)+z₂ （２）

(第２工程)
次に、図２に示すように、被測定試料ＳＰを直動ステージＳＴＸとともに走査方向に間隔ｄだけ移動後、変位センサＡＳの出力ｍ₃(第３変位センサの第３の出力値)は，以下の式で表せる。
ｍ₃(x)=f(x)+e_z(x)+d・e_p(x) +z₂ +z₃+αｘ（３）

ただし、ｘは走査方向の位置座標、f(x)は被測定試料ＳＰの被測定面の形状、e_z(x)、e_p(x)は、それぞれ走査運動におけるセンサ感度方向(z方向)の誤差とピッチング誤差、まだz₂は変位センサシフトに伴う変位センサのz方向のゼロ点移動量、z₃は被測定試料ＳＰの移動(走査)の際の被測定試料ＳＰのz方向オフセット、αは走査の際の被測定試料ＳＰの傾斜角である。

ここで、変位センサAＳは、第１工程のシフト前の被測定試料ＳＰの被測定面の形状を測定していることになるから、式（１）と（３）より、f(x)が消えて、測定誤差分として以下の式が得られる。
Δｍ₁₃(x)＝ｍ₃(x)−ｍ₁(x)= d・e_p(x) +z₂ +z₃+αｘ（４）

更に、相対走査範囲全長をLとして、以下のように表せる。
Δｍ₁₃(L)−Δｍ₁₃(0)＝d｛e_p(L)−e_p(0)｝＋α・L （５）

(第３工程)
式(５)の右辺第1項の｛e_p(L)−e_p(0)｝は、ピッチング誤差（走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差）であるから、直動ステージＳＴＸ上の姿勢センサ台ＳＢに置いた姿勢センサ（例えば水準器ＥＬ）によって知ることができる。従って式（５）から係数αは、式(6)のように決定できる。
α＝[Δｍ₁₃(L)−Δｍ₁₃(0)−d｛e_p(L)−e_p(0)｝]／L （６）

係数αが決まると、式（２）、（３）よりf(x)に関する差分を得ることができる。
Δf(x)＝f(x+d)− f(x)＝ｍ₂(x)−ｍ₃(x) +z₃+αｘ（７）

この間隔ｄでの差分より、逐次、伝達関数法などの種々の方法で所要の形状f(x)が求められる。ただし、未知のz₃の影響で、得られた真直形状は傾斜が追加されるが、これは真直形状の両端高さを揃えて表示する際に除去されるので問題はない。

なお、ｘ＝０とｘ＝Lでの変位センサ出力に位置決め伴う誤差が出にくいように、面粗さの影響を除くため被測定試料ＳＰの両端だけを研磨したり、研磨面を被測定試料ＳＰ両端に追加するなどの工夫も好ましい。また、大きな被測定試料ＳＰを間隔dで，走査方向に正確にシフトするのが難しいので、測定順序を逆にして式（３）、（２）、（１）の順に変位センサＡＳの出力を得ることにして被測定試料ＳＰの走査後にその間隔に合わせて変位センサＡＳをシフトし、その正確なシフト間隔を決める工夫なども好ましい。

ＡＳ変位センサ
ＥＬ水準器
ＨＬＤホルダ
ＳＢ姿勢センサ台
ＳＰ被測定試料
ＳＴＸ直動ステージ

Claims

変位センサと長尺物体とを、走査方向に相対移動させて前記変位センサからの出力値を得ることにより相対走査を行い、前記長尺物体の真直形状を測定する測定方法であって、
前記変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第１の出力値を得て、更に前記変位センサを前記走査方向に前記間隔ｄだけシフトして、前記長尺物体の被測定面を測定し、第２の出力値を得て(第１工程)、
前記長尺物体を前記変位センサに対して前記走査方向に前記間隔ｄだけシフトして、前記変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第３の出力値を得て(第２工程)、
前記相対走査の際における、前記変位センサと前記長尺物体との移動する方の走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差を姿勢センサで測定して、その出力値と、前記第１〜第３の出力値とに基づいて、前記長尺物体の相対走査の際の姿勢変化を補正しつつ、前記長尺物体の真直形状を求める(第３工程)ことを特徴とする測定方法。
走査方向に間隔ｄで配置された第１変位センサ及び第２変位センサと、長尺物体とを、前記走査方向に相対移動させて前記第１変位センサ及び第２変位センサからの出力値を得ることにより相対走査を行い、前記長尺物体の真直形状を測定する測定方法であって、
前記第１変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第１の出力値を得るとともに、前記第２変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定し、第２の出力値を得て(第１工程)、
前記長尺物体を前記第１変位センサに対して前記走査方向に前記間隔ｄだけシフトして、前記第１変位センサで、前記長尺物体の被測定面を測定して第３の出力値を得て(第２工程)、
前記相対走査の際における、前記第１変位センサ及び前記第２変位センサと前記長尺物体との移動する方の走査運動方向の姿勢角（ピッチング）の移動方向全長の両端での差を姿勢センサで測定して、その出力値と、前記第１〜第３の出力値とに基づいて、前記長尺物体の走査の際の姿勢変化を補正しつつ、前記長尺物体の真直形状を求める(第３工程)ことを特徴とする測定方法。